Het ringenstelsel

De ringen van Uranus waren de eerste die rond een andere planeet dan Saturnus werden gevonden. De Amerikaanse astronoom James L. Elliot en zijn collega’s ontdekten het ringenstelsel vanaf de aarde in 1977, negen jaar voor de ontmoeting met de Voyager 2, tijdens een stellaire occultatie van Uranus – d.w.z. wanneer de planeet tussen een ster en de aarde doorschoof, waardoor het licht van de ster tijdelijk werd geblokkeerd. Onverwacht zagen zij dat de ster vijf keer kort verduisterde op een aanzienlijke afstand boven de atmosfeer van Uranus, zowel voor als na de occultatie van de ster door de planeet. De helderheidsdips wezen erop dat de planeet omringd was door vijf smalle ringen. Latere waarnemingen op aarde onthulden nog eens vier ringen. Voyager 2 ontdekte een tiende ring en vond aanwijzingen voor andere ringen. Vanaf Uranus naar buiten toe heten de 10 ringen 6, 5, 4, Alpha, Beta, Eta, Gamma, Delta, Lambda en Epsilon. De omslachtige nomenclatuur is ontstaan doordat de nieuwe ringen werden gevonden op plaatsen die niet in de oorspronkelijke nomenclatuur pasten. Kenmerken van de ringen worden in de tabel gegeven.

De ringen zijn smal en tamelijk ondoorzichtig. De waargenomen breedten zijn eenvoudigweg de radiale afstanden tussen het begin en het einde van de individuele verduisteringen. De equivalente breedten zijn het product (meer precies, de integraal) van de radiale afstand en de fractie van het geblokkeerde sterlicht. Het feit dat de equivalente breedten over het algemeen kleiner zijn dan de waargenomen breedten geeft aan dat de ringen niet volledig ondoorzichtig zijn. Uit de combinatie van de helderheid van de ringen op de Voyager-beelden en de equivalente breedten van de verduisteringen blijkt dat de ringdeeltjes minder dan 5% van het invallende zonlicht reflecteren. Hun bijna vlakke reflectiespectrum betekent dat de deeltjes in principe grijs van kleur zijn. Gewoon roet, dat voor het grootste deel uit koolstof bestaat, komt het dichtst in de buurt van het aardse equivalent. Het is niet bekend of de koolstof afkomstig is van het donkerder worden van methaan door het deeltjesbombardement, of inherent is aan de ringdeeltjes.

De verstrooiingseffecten op het radiosignaal van de Voyager dat zich door de ringen naar de aarde voortplantte, onthulden dat de ringen voornamelijk uit grote deeltjes bestaan, objecten met een diameter van meer dan 140 cm. Verstrooiing van zonlicht toen de Voyager zich aan de andere kant van de ringen bevond en zijn camera op de zon richtte, bracht ook kleine stofdeeltjes ter grootte van een micrometer aan het licht. In de hoofdringen werd slechts een kleine hoeveelheid stof gevonden. De meeste microscopische deeltjes bevonden zich in de ruimte tussen de hoofdringen, wat erop wijst dat de ringen massa verliezen als gevolg van botsingen. De levensduur van het stof in een baan rond Uranus wordt beperkt door de luchtweerstand van de uitgebreide atmosfeer van de planeet en door de stralingsdruk van het zonlicht; de stofdeeltjes worden naar lagere banen gedreven en vallen uiteindelijk in de atmosfeer van Uranus. De berekende omlooptijden zijn zo kort – 1000 jaar – dat het stof snel en voortdurend moet worden aangemaakt. De atmosferische weerstand van Uranus blijkt zo groot te zijn dat de huidige ringen zelf van korte duur kunnen zijn. Als dat zo is, zijn de ringen niet met Uranus gevormd, en zijn hun oorsprong en geschiedenis onbekend.

Botsingen tussen de dicht opeengepakte ringdeeltjes zouden natuurlijk leiden tot een vergroting van de radiale breedte van de ringen. Manen die massiever zijn dan de ringen kunnen deze verspreiding tegenhouden in een proces dat shepherding wordt genoemd. Bepaalde banen die binnen of buiten de baan van een bepaalde ring liggen, hebben de juiste radius voor een maan in zo’n baan om een stabiele dynamische resonantie met de ringdeeltjes tot stand te brengen. Voorwaarde voor de resonantie is dat de omlooptijden van de maan en de ringdeeltjes in de verhouding van kleine gehele getallen tot elkaar staan. Als de maan en de deeltjes elkaar periodiek passeren, is er een zodanige wisselwerking tussen hen dat de regelmatigheid van de ontmoetingen in stand wordt gehouden. De maan oefent een netto koppel uit op de ring, en terwijl de maan en de ring impulsmoment uitwisselen, wordt energie afgevoerd door botsingen tussen de ringdeeltjes. Het resultaat is dat de maan- en ringdeeltjes elkaar afstoten. Het hemellichaam in de buitenste baan beweegt naar buiten, terwijl het hemellichaam in de binnenste baan naar binnen beweegt. Omdat de maan veel massiever is dan de ring, voorkomt hij dat de ring zich uitbreidt over de straal waarbij resonantie optreedt. Een paar herdermanen, één aan elke kant van een ring, kan de smalle breedte behouden.

Voyager 2 ontdekte dat de binnenste twee manen, Cordelia en Ophelia, aan weerszijden van de Epsilon-ring draaien met precies de juiste radii die nodig is voor het herderschap. Herders voor de andere ringen werden niet waargenomen, misschien omdat de manen te klein zijn om op de Voyager-beelden te worden gezien. Kleine manen kunnen ook reservoirs zijn die het stof aanvoeren dat het ringenstelsel verlaat.